Was ist Quantenphysik? Einfach erklärt mit Beispielen und Daten

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Kurzantwort: Quantenphysik ist der Teil der Physik, der beschreibt, wie sich Materie und Licht im Kleinsten verhalten, also bei Atomen, Elektronen und Lichtteilchen. Ihr Kern laut Wikipedia: Bestimmte Größen wie die Energie können dort keinen beliebigen Wert annehmen, nur feste, abgestufte Werte, die Quanten. Den Anfang machte Max Planck im Jahr 1900 mit seinem Strahlungsgesetz. Ohne Quantenphysik gäbe es weder Transistor noch Laser noch das MRT im Krankenhaus.

Wirf einen Ball, und du kannst ihm jede beliebige Geschwindigkeit geben. Im Inneren eines Atoms geht das nicht. Ein Elektron kann nur ganz bestimmte Energiestufen einnehmen, wie eine Treppe ohne Zwischenstufen. Diese Beobachtung passte um 1900 in keine bekannte Theorie und führte zu einer neuen Physik.

Hier liest du, was Quantenphysik genau ist, wie sie entstanden ist, welche vier Grundideen sie trägt, was es mit der Verschränkung auf sich hat, wo sie in deinem Alltag steckt und wie sie sich von der klassischen Physik unterscheidet.

Die Definition

Wikipedia definiert Quantenphysik als den Bereich, der alle Phänomene und Effekte umfasst, bei denen bestimmte Größen keinen beliebigen Wert annehmen können und nur feste, diskrete Werte erlaubt sind. Das Wort Quant kommt vom lateinischen „quantum“, „wie viel“, und meint die kleinste Portion, in der eine Größe auftritt.

Unter dem Dach Quantenphysik stehen zwei Theorien. Die Quantenmechanik beschreibt das Verhalten von Quantenobjekten wie Elektronen unter dem Einfluss von Feldern. Die Quantenfeldtheorie behandelt zusätzlich die Felder selbst als Quantenobjekte, etwa das Licht als Photonen.

Die zentrale Naturkonstante ist das Plancksche Wirkungsquantum h. Seit der Reform des Einheitensystems am 20. Mai 2019 hat es laut Wikipedia den festgelegten, exakten Wert 6,62607015 · 10⁻³⁴ Joulesekunden. Die Energie eines Lichtquants berechnet sich aus E = h · f, wobei f die Frequenz des Lichts ist. Je höher die Frequenz, desto mehr Energie trägt ein einzelnes Photon.

Die Geschichte in Jahreszahlen

Die Quantenphysik entstand in gut 25 Jahren, getragen von einer Handvoll Physiker. Wikipedia nennt diese Stationen:

1900: Max Planck erklärt die Wärmestrahlung glühender Körper nur, indem er annimmt, dass Energie in Paketen abgegeben wird. Die Geburtsstunde.
1905: Albert Einstein deutet den photoelektrischen Effekt mit Lichtquanten.
1913: Niels Bohr stellt sein Atommodell mit gequantelten Energieniveaus vor.
1924: Louis de Broglie schlägt vor, dass auch Materie Welleneigenschaften hat.
1925: Werner Heisenberg formuliert die Matrizenmechanik, die erste vollständige Fassung der Quantenmechanik.
1926: Erwin Schrödinger entwickelt die Wellenmechanik, Max Born die Wahrscheinlichkeitsdeutung.
1927: Heisenberg veröffentlicht die Unschärferelation, die Kopenhagener Deutung entsteht.

Wegen des Durchbruchs von 1925 haben die Vereinten Nationen das Jahr 2025 zum Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie erklärt. Laut der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, die das Jahr in Deutschland koordiniert hat, beteiligten sich 57 Länder; die Eröffnung fand am 4. Februar 2025 im UNESCO-Hauptquartier in Paris statt.

Die vier Grundideen

1. Quantisierung

Energie, Drehimpuls und andere Größen treten in festen Stufen auf. Ein Elektron im Atom springt von einer Stufe zur nächsten und gibt die Differenz als Lichtquant ab. Deshalb leuchtet jedes Element in seinen eigenen Farben.

2. Welle-Teilchen-Dualismus

Licht verhält sich je nach Experiment wie eine Welle oder wie ein Strom von Teilchen. Seit de Broglie gilt das auch umgekehrt: Elektronen zeigen Wellenmuster, wenn man sie durch einen Doppelspalt schickt.

3. Unschärfe

Ort und Impuls eines Teilchens lassen sich nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmen. Das liegt laut Heisenberg an der Natur der Quantenobjekte selbst, an keiner Messtechnik.

4. Wahrscheinlichkeit und Messung

Die Wellenfunktion beschreibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Teilchen an einem Ort gefunden wird. Erst die Messung legt einen Wert fest. Was dabei genau passiert, heißt in der Physik das Messproblem und ist bis heute offen.

Verschränkung: Einsteins „spukhafte Fernwirkung“

Zwei Teilchen können laut Wikipedia so verbunden sein, dass das Gesamtsystem einen festen Zustand hat, die Einzelteile aber keinen eigenen. Misst du das eine, steht das Ergebnis des anderen fest, egal wie weit es entfernt ist. Einstein, Podolsky und Rosen hielten das 1935 für einen Beleg, dass die Theorie unvollständig sei. John Bell zeigte 1964, wie sich das prüfen lässt. Die Experimente gaben der Quantenphysik recht, und Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger bekamen dafür 2022 den Nobelpreis.

Informationen schneller als Licht lassen sich damit trotzdem nicht übertragen. Das No-Communication-Theorem besagt laut Wikipedia, dass Messungen an einem Teilsystem keine Nachrichten an das andere senden können. Genutzt wird Verschränkung in der Quantenkryptografie, in Quantencomputern und in hochgenauen Messverfahren.

Wo Quantenphysik im Alltag steckt

Wikipedia listet Anwendungen mit Jahreszahl auf, die alle auf Quanteneffekten beruhen:

Transistor (1945): Das Bauteil in jedem Chip. Sein Verhalten folgt aus der Quantenmechanik der Halbleiter.
Solarzelle (1954): Nutzt den photoelektrischen Effekt, den Einstein 1905 erklärte.
Laser (1960): Beruht auf der stimulierten Emission von Lichtquanten. Steckt in Barcode-Scannern, Glasfasernetzen und Augen-OPs.
Magnetresonanztomografie (1973): Bildgebung über den Spin von Wasserstoffkernen.
Rastertunnelmikroskop (1981): Macht einzelne Atome sichtbar, dank des Tunneleffekts.
Quantencomputer: In Entwicklung. Rechnen mit Qubits, die Überlagerung und Verschränkung nutzen.

Klassische Physik und Quantenphysik im Vergleich

Merkmal	Klassische Physik	Quantenphysik
Gültigkeitsbereich	Alltagsgrößen: Bälle, Planeten, Autos	Atome, Elektronen, Photonen
Werte von Energie	Beliebig, stufenlos	Feste Stufen (Quanten)
Vorhersage	Exakt, wenn Anfangszustand bekannt	Nur Wahrscheinlichkeiten
Ort und Geschwindigkeit	Gleichzeitig messbar	Durch Unschärfe begrenzt
Rolle der Messung	Liest ab, was da ist	Legt den Wert erst fest
Begründer	Newton (17. Jahrhundert)	Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrödinger

Die klassische Physik ist damit kein Irrtum. Sie ist der Grenzfall der Quantenphysik für große Objekte, bei denen die Stufen so fein sind, dass sie nicht auffallen.

Häufige Fragen

Was ist ein Quant?

Die kleinste Portion, in der eine physikalische Größe auftritt. Beim Licht ist das ein Photon mit der Energie E = h · f.

Ist Quantenmechanik dasselbe wie Quantenphysik?

Quantenphysik ist der Oberbegriff. Quantenmechanik ist die Theorie darin, die Teilchen beschreibt; die Quantenfeldtheorie behandelt zusätzlich die Felder.

Wer hat die Quantenphysik erfunden?

Niemand allein. Planck begann 1900, Einstein, Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schrödinger und Born bauten sie bis 1927 aus.

Warum gilt 2025 als Jubiläumsjahr?

Weil Heisenberg 1925 die erste vollständige Quantenmechanik formulierte. Die UN erklärten 2025 zum Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft.

Kann man mit Verschränkung schneller als Licht kommunizieren?

Nein. Das No-Communication-Theorem schließt das aus. Die Messergebnisse sind korreliert, tragen aber keine wählbare Nachricht.

Wo begegnet mir Quantenphysik jeden Tag?

In jedem Chip (Transistor), in jedem Laser, in Solarzellen und im MRT.

Quellen

Das passt dazu

Drei Artikel, die dieselbe Frage von einer anderen Seite angehen:

Geschrieben von Jonas, Redaktion smarterklärt.de — er erklärt hier Begriffe und Zusammenhänge in einfacher Sprache.